JP2007055856A - 炭素膜、電子放出源および電界放射型照明ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】印加電圧の増大に対して電界放射電流が飽和しにくい炭素膜を提供すること。
【解決手段】細長い針状に成膜されている炭素膜において、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、先端（ティップ先端）が電界放射(フィールドエミッション)を行うのに適した鋭利な形状に成膜される炭素膜、該炭素膜を用いた電子放出源および電界放射型照明ランプに関する。

電界放射は、真空に放出される電流密度を記述するファウラノルドハイム（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）の式で表すことができることが知られている。この式は、
Ｉ＝ｓＡＦ²／φｅｘｐ（−Ｂ^3/2／Ｆ）
Ｆ＝βＶ
で与えられる。

ただし、Ｉは電界放射電流、ｓは電界放射面積、Ａは定数、Ｆは電界強度、φは仕事関数、Ｂは定数、βは電界集中係数、Ｖは印加電圧である。

電界集中係数βは、印加電圧Ｖを、先端部分の形状や素子の幾何学的形状により電界強度Ｆ（Ｖ／ｃｍ）を変換する係数である。

電界放射電流Ｉは、仕事関数φが小さい材料ほど、また、電界集中係数βが大きいほど、強くなり、電界放射電流Ｉが増大する。

電子は仕事関数φであるポテンシャル障壁により固体中に閉じ込められている。

この固体表面に電界が強く集中し、ポテンシャル障壁が１ｎｍ以下程度にまで薄くなると、電子はその波動性によるトンネリング現象により固体から真空に放射される確率が急激に増大する。

このように、電界集中により電子が真空に放射される現象を電界放射という。電界放射電流Ｉは、ポテンシャル障壁に衝突する電子の入射密度と、ポテンシャル障壁をトンネリングする確率との積を全エネルギー領域で積分することにより求めることができ、ファウラノルドハイムの式は、そのことを上記式で表したものである。

このような電界放射を行うものとして例えば、特許文献１等でシリコンや金属を微小な円錐状に形成したスピント型の電界放射構造が知られている。

しかしながら、スピント型は、ティップ先端の高さを高くすることに限界があり、電界放射特性のさらなる要求に沿い難い。

このようなスピント型の課題を解消するべく、例えば、特許文献２等において、高アスペクト比のカーボンナノチューブが開発されてきている。

このカーボンナノチューブは、針状に炭素膜を化学的気相蒸着（ＣＶＤ）等により成膜したものであり、極めて細長く、スピント型よりもその先端部分の曲率半径ｒが小さくなって電界集中係数βが大きくなり、電界放射特性に優れたものとなる。

しかしながら、カーボンナノチューブの場合、印加電圧を増大させて電界放射電流Ｉを増大させていくに際しては、或る印加電圧を超えると、それ以上は、電界放射電流Ｉが増大しなくなって飽和してしまう、という大きな課題がある。

そのため、カーボンナノチューブを電子放出源として、各種のデバイス、装置等に用いる場合、例えば、電界放射型の照明ランプに用いる場合、印加電圧の調整でその発光輝度を調整する場合、その調整範囲が極めて制約されたものとなる。

また、カーボンナノチューブでは上記課題以外にも、直径に対する高さの比率であるアスペクト比が極めて大きいがために、先端高さが揃いにくくばらつきやすい、先端がゆらぎやすい、基板上に機械的に支持しにくいから安定性にかける、カーボンナノチューブに電流を流し込むための基板との電気的コンタクトがとりにくい、カーボンナノチューブが多数密集すると、電界集中が起こりにくく、電子放出特性が容易に損なわれてしまうこと、等の多数の課題がある。
特開平１０−２２３１２８号公報

本発明は、針状の炭素膜において、カーボンナノチューブよりも、印加電圧の増大に対して電界放射電流が飽和しにくい炭素膜を提供するものである。

（１）本発明第１にかかる炭素膜は、細長い針状に成膜されている炭素膜において、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備えることを特徴とするものである。

上記において、任意の位置から先端までの間で、半径が部分的に大きい部分が存在しても、全体として先端に向けて半径が小さくなる場合を含む。

また、任意の位置から先端までの間の途中部分は真直ぐな場合に限定する必要はなく、途中部分において曲線状、折れ線状、等に変形していても、全体として先端に向けて半径が小さくなるとよい。

上記において、任意の位置は、炭素膜の基部に限定するものではなく、途中の位置からでもよい。

本発明第１の炭素膜では、電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、先端に向けて半径が小さくなる形状を有するから、印加電圧が低いときは半径が最小である先端部分が上記式から電界集中係数βが最大となり電界放射が行われ、その部分での電界放射が飽和するようになると、その部分での電界放射が維持されつつ、半径が漸次、大きくなる部分において上記式から電界放射が行われる。

そのため、印加電圧が上昇していくと先端部分で電界放射が飽和しても、他の部分から電界放射が行われる結果、印加電圧の上昇に伴い電界放射が増大していき、電界放射が飽和しにくい炭素膜となる。

本発明第１の場合、外周面が円錐面に擬似した形状であってその頂点の中心角θ（度）が０＜θ＜２０であることが好ましい。

中心角θは、その擬似円錐を形成する外周面のプロファイル全体が直線状であることに限定する必要はなく、途中で半径が増減しても全体として中心角θが上記範囲に入るとよい。

例えば、その外周面が二次関数的曲線形状、指数関数的曲線、あるいはこれら各種曲線が混在した形状等があるが、全体として先端に向けて半径が小さくなる円錐に擬似することができる。

針状炭素膜のティップ先端が曲率半径ｒ０を有する場合は、擬似円錐の頂点はティップ先端ではなく、擬似円錐外周面の延長上とすることができる。

（２）本発明第２にかかる炭素膜は、細長い針状に成膜されている針状炭素膜と、針状炭素膜の膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状に広がる形態をなして成膜されている壁状炭素膜とを備え、針状炭素膜は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備えることを特徴とするものである。

本発明第２の炭素膜も、本発明第１のそれと同様の針状炭素膜を含むことにより、本発明第１と同様の作用効果を有する。

本発明第２の炭素膜は、このような針状炭素膜に加えて、さらに、針状炭素膜の膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状に広がる形態をなして壁状炭素膜を成膜しているので、この壁状炭素膜により、（ａ）針状の膜の基板上での姿勢が極めて安定化し、電子を安定して放出することができること、（ｂ）複数の針状の膜それぞれの成膜方向が揃い易くなり、この面からも複数の針状の膜それぞれからの電子放出量が基板全体にわたり均一にすることができ、電界放射型の照明ランプ全体において蛍光体を励起発光させる電子量が均一になって発光輝度を照明ランプ全体で均一化し、輝度むらを低減することができること、（ｃ）基板上に機械的に強固に支持され、基板上に倒れ込みにくくなる結果、照明ランプの電子放出源としての安定性が向上すること、（ｄ）針状の膜の直径が細くても、電流を流し込むための基板との電気的コンタクトを壁状の膜によりとることができる。

（３）本発明第３にかかる炭素膜は、基板上に成膜された網目状炭素膜と、この網目状炭素膜に囲まれた１つまたは複数の針状炭素膜とを備え、針状炭素膜は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備える、ことを特徴とするものである。

本発明第３の炭素膜も、本発明第１のそれと同様の針状炭素膜を含むことにより、本発明第１のそれと同様の作用効果を有する。本発明第３の炭素膜は、さらに加えて、針状炭素膜が基板上に成膜された網目状炭素膜により囲まれているので、針状炭素膜が網目状炭素膜によりその配置間隔が制約される結果、針状炭素膜が多数密集することを制約することができ、それぞれの針状炭素膜の電界集中性能を発揮させることが可能となって優れた電子放出特性を提供することができるようになる。

本発明第３では、針状炭素膜には、その膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状炭素膜が成膜されていることが好ましい。この壁状炭素膜により、（ａ）針状の膜の基板上での姿勢が極めて安定化し、電子を安定して放出することができること、（ｂ）複数の針状の膜それぞれの成膜方向が揃い易くなり、この面からも複数の針状の膜それぞれからの電子放出量が基板全体にわたり均一にすることができ、電界放射型の照明ランプ全体において蛍光体を励起発光させる電子量が均一になって発光輝度を照明ランプ全体で均一化し、輝度むらを低減することができること、（ｃ）基板上に機械的に強固に支持され、基板上に倒れ込みにくくなる結果、照明ランプの電子放出源としての安定性が向上すること、（ｄ）針状の膜の直径が細くても、電流を流し込むための基板との電気的コンタクトを壁状の膜によりとることができる。

（４）なお、上記基板には、基板の名称に限定されず、矩形あるいは円形等の各種形状を備えた基板、あるいはワイヤ状の基板等、本発明の効果を達成することができる形状であればよく、その具体的に特定した形状に限定されるものではない。

ワイヤ状とは導電性を有する線状体を含む。ワイヤ状とは、直線状、曲線状、それらの複合形状を含む。基板がワイヤである場合、そのワイヤは中実、中空を問わない。ワイヤの断面形状は、円形、楕円形、矩形、その他の形状を含む。

（５）網目状炭素膜は、そのすべてが連続膜で成膜されていることに限定されず、その一部で途切れていても含むことができる。その途切れ状態がどの程度であるかには何等限定されるものではない。

（６）膜下部から膜中途において、膜下部とは、壁状の膜が針状の膜の最下端部にまとわりついて接触する必要はなく、どの位置かに具体的に限定されるものではない。

また、膜中途とは、針状の膜の先端近傍にまで含むことができるものであり、また、針状炭素膜の半分以下の高さも含むことができるものであり、具体的に限定されるものではない。

この膜下部から膜中途とは本発明を実施するうえで、本発明が意図する効果を達成することができる位置を含むものである。

（７）本発明の炭素膜では、直流プラズマＣＶＤ法により成膜する場合では、針状炭素膜をさらに高配向に成膜することができる。

上記壁状の膜の側面から見た形状が概ね裾広がりの形状をなしていることが好ましい。

この形状によると、壁状の膜に電界集中しにくくすることができるとともに、針状炭素膜を機械的に支持する姿勢を安定化させることができ、かつ、基板との電気的な接触抵抗が下がり、電流を効率的に流すことができるようになる。

その結果、低い電力消費で多量の電子を放出することができる炭素膜を提供することができる。

（８）上記網目状炭素膜はカーボンナノウォールにより構成することができる。カーボンナノウォールは、多数のナノオーダの壁状炭素薄片が平面方向に集合連成された形態であり、数十層のグラフェンシートからなる。カーボンナノウォール単独の場合、電圧印加により端部である壁状部の上面で高い電界集中が起こって電子を放出することができるものである。

しかしながら、本発明の場合では、針状の膜の直径が極めて細く、かつ、アスペクト比が大きく、網目状の壁の高さよりも高いため、電界集中が起こらない。電界集中は上記針状の膜に起こるようになっている。

本発明によれば、針状の炭素膜において、カーボンナノチューブよりも、印加電圧の増大に対して電界放射電流が飽和しにくい炭素膜を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る炭素膜は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備える針状炭素膜を含むものである。

この針状炭素膜は、アスペクト比が１００〜数万程度であり、直径が２〜２００ｎｍ、長さが数十〜数万ｎｍである。

この針状炭素膜の原理を図１および図２を参照して説明する。

図１（ａ）（ｂ）に従来のカーボンナノチューブ１の先端部分１ａおよびその近傍とこのカーボンナノチューブによる印加電圧Ｖによる電界放射電流Ｉの特性とを示し、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に実施の形態の針状炭素膜３の先端部分３ａおよびその近傍とこの針状炭素膜３による印加電圧Ｖによる電界放射電流Ｉの特性とを示す。

これらの図では理解のため形状、直径、等は誇張して示す。カーボンナノチューブ１と実施の形態の針状炭素膜３は共に上記任意の位置を図示略の基部とし該基部からの先端高さをｈとしている。

まず、図１（ａ）で示すようにカーボンナノチューブ１は、その先端部分１ａに曲率半径ｒ０の曲面を持っているとしても、その先端部分１ａから図示略の下方の基部までその全体からみると、半径ｒｃがほぼ一定のチューブ形状であるということができる。

このようにカーボンナノチューブ１は、先端部分１ａから基部までほぼ一定半径ｒ_cのチューブ状であるから、先端部分１ａを除いては実施の形態の針状炭素膜３の上記式(β＝ｈ／ｒ)で示す電界集中係数の定義を適用することができる形状を備えていない。

そのためカーボンナノチューブ１では、図１（ｂ）の印加電圧Ｖが増大すると先端部分１ａからの電界放射電流Ｉが増大し図１（ａ）の矢印Ａのように電界放射する。

そして、或る印加電圧Ｖ₀を超えると、図１（ｂ）の実線曲線で示すように、それ以上は、その先端部分１ａからの電界放射が飽和し、電界放射電流ＩがＩ₀以上には増大しにくくなる。

なお、従来のスピント型は細長い針状ではなく、ピラミッド型（円錐シリコンによるスピント型ではその中心角は７０．５度）であり、本発明の電界集中係数βの定義を適用することができる形状を備えていない。

実施の形態の針状炭素膜３では、図２（ａ）で示すように、電界集中係数βが、上記ｈ／ｒの式で表され、かつ、基部から先端部分３ａに向けて半径ｒ_vが小さくなる形状を有するから、図２（ｂ）で示す（実線曲線は実施の形態の針状炭素膜により、二点鎖線曲線はカーボンナノチューブによる）ように、印加電圧Ｖが増大するにつれ先端部分３ａから図２（ａ）の矢印Ａのように電界放射し、さらに印加電圧Ｖが増大すると、先端部分３ａから遠くなる部分３ｂからも図２（ａ）の矢印Ｂのように電界放射が起こり、さらに印加電圧Ｖが増大すると、先端部分３ａからさらに遠くなる部分３ｃからも図２（ａ）の矢印Ｃのように電界放射が起こる。

このようにして実施の形態の針状炭素膜３では、印加電圧Ｖの増大により、電界放射電流Ｉが従来のように印加電圧ＶがＶ₀を超えても、電界放射電流Ｉがカーボンナノチューブのように電流Ｉ₀で飽和せず、それ以上に増大することができる炭素膜である。

実施の形態の炭素膜３は、図２（ｃ）(ただし、誇張して示している)で示すように、外周面が擬似的に円錐状であってその先端部分３ａである擬似円錐頂点の中心角θ（度）が０＜θ＜２０であることが好ましい。

このように狭い中心角θを有する針状炭素膜３は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βを用いた電界強度Ｆ＝βＶ＝（ｈ／ｒ）Ｖにおいて、先端部分３ａでまず電界集中を起こし、印加電圧Ｖの制御により、順次に先端部分３ａから先端部分３ａとその近傍の部分３ｂ…を含めた全体が１つの電界集中部分として作用していくことができるようになるので、印加電圧Ｖに対して電界放射電流Ｉの大きさを飽和させることなく制御することができる。

これによって、実施の形態の針状炭素膜３は、例えば、電界放射型の照明ランプにおいてその発光輝度を任意の輝度に容易に制御することができるようになる。

以上のように実施の形態の針状炭素膜３では、ファウラノルドハイムの式においてその電界集中係数βが、任意の位置での先端部分３ａまでの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、先端部分３ａに向けて半径が小さくなる形状を有するから、印加電圧Ｖが上昇していくと先端部分３ａで電界放射が飽和しても、他の部分から電界放射が行われる結果、印加電圧Ｖの上昇に伴い電界放射が増大していき、電界放射電流Ｉが飽和しにくい炭素膜となる。

図３ないし図５を参照して、図２に示す実施の形態の針状炭素膜３を応用展開して説明する。図３は実施の形態に係る針状炭素膜を含む炭素膜の部分的な断面図、図４は図３で示す炭素膜の部分的な斜視図、図５は図３で示す炭素膜を模式的に示す側面図である。これらの図には炭素膜と、基板を含む電子放出源が示されている。

これらの図において、基板４上に成膜技術、例えば、直流プラズマＣＶＤ法により、曲線状に繋がって連続した、網目状炭素膜５が成膜される。この基板４にはシリコンウエハ、石英ガラス、等の基板がある。

この基板４では基板表面に金属膜あるいは導電性膜を設けたものでもよい。あるいは、基板４はアルミニウム等の金属製の基板でもよい。

基板４には矩形あるいは円形等の各種形状を備えた基板あるいはワイヤ状の基板でもよい。この炭素膜の用途には、種々あり、炭素膜が有する強度を利用した補強材料、炭素膜の導電性を利用した電気配線等に用いる電気材料、炭素膜の電子放出特性を利用した電子エミッタ等に用いる電子材料がある。

そのうち、電子エミッタは不純物が混入されないことが好ましい。電子エミッタは、直径や長さ、および性能を制御可能であることが重要である。

基板４に連続的に成膜してなる網目状炭素膜５は、平面方向から見た場合、全体がほぼ網目状になっている。

網目状炭素膜５の高さ（ｈ）はほぼ１０ｎｍ以下の程度であり、網目状炭素膜５の幅（Ｗ）は４ｎｍないし８ｎｍ程度である。

網目状炭素膜５で囲まれた基板４上の領域６は、針状に伸びその先端が電界集中して電子を放出する電子放出点となる針状炭素膜３が成膜される領域となる。

この領域６は、網目状炭素膜５で囲まれていることにより、各領域６内それぞれに成膜される電子放出点の相互の間隔を制約ないしは規定することができるようになっている。

この領域６には、成膜技術、例えば、直流プラズマＣＶＤ法により、先端が電子放出点となる針状炭素膜３が成膜される。

針状炭素膜３は、網目状炭素膜５の高さ（Ｈ）よりも高い高さ（ｈ）、例えば、６０μｍ程度に成膜される。針状炭素膜３は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置でとして基部からその先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備えている。

針状炭素膜３は、平行に対向する平行平板電極間において一方の電極上に配置された矩形基板に対して該矩形基板に垂直ないしはほぼ垂直に均等に電界を印加して成膜したり、あるいは、円筒形のコイルの中心に該コイルの長手方向に沿って配置された断面円形をなす導電性ワイヤに対して該導電性ワイヤの外周面全周に均等に電界を印加して成膜するものであるから、矩形基板の基板面にはほぼ垂直に配向することができ、導電性ワイヤの外周面には半径方向に配向することができる。

針状炭素膜３には、成膜技術、例えば、直流プラズマＣＶＤ法により、その膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように壁状炭素膜７が成膜される。

壁状炭素膜７は、針状炭素膜３を基板４上に支持するとともに基板４との電気的コンタクトをとることができるものである。

壁状炭素膜７の側面から見た形状は概ね裾広がりの形状をなしている。この形状は、例えば、花弁状になっている。

ただし、後記するＳＥＭ写真で示すように、幾何学的に完全な花弁形を意味するものではなく、理解し易い表現として説明していて、実際はＳＥＭ写真に示すように壁状炭素膜７は横広がり状態、螺旋状態、等の各種の形状となっている。

いずれにしても、壁状炭素膜７は、基板４に対して広い底面積で接触することにより、針状炭素膜３を基板４に機械的に強固に支持することができるとともに、基板４に対する針状炭素膜３の電気的コンタクトを十分に確保することができる。

以上の構造を有する図３ないし図５で示す炭素膜構造では、針状炭素膜３は、カーボンナノチューブのようにアスペクト比が大きいのであるが、壁状炭素膜７の膜形態が、針状炭素膜３にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状に広がる形態をなして成膜されているので、基板４上に機械的に強固に支持され、基板４上に倒れ込みにくくなる結果、照明ランプの電子放出源としての安定性が向上するとともに、針状炭素膜３の直径が細くても、電流を流し込むための基板との電気的コンタクトを壁状炭素膜７によりとることができるので、照明ランプの電子放出源として必要な電子放出特性を得ることができる。

また、実施の形態の炭素膜では、図６に示すように、この基板に平行に対向した陽極と陰極との間の電圧印加により、針状炭素膜３の先端の周りの電位面８が急激に変化して、電界が強く集中するようになっている。

また、網目状炭素膜５には電界集中が起こらない。また、針状炭素膜３は網目状炭素膜５により相互の間隔を互いの電界集中作用を阻害しないように適宜の間隔（Ｄ）、例えば、１００μｍ程度隔てられている。

実施の形態では網目状炭素膜５で囲まれた１つの網目領域６内に１つの針状炭素膜３を形成したが、２以上の複数でもよい。

針状炭素膜３の集合程度は、従来のカーボンナノチューブのような密集状態ではなく、網目領域６毎の針状炭素膜３の電界集中に対する影響は極めて小さいものである。

以上において、図３ないし図５で示す炭素膜構造においては、針状炭素膜３が、図２で説明した構造および作用を有するので、印加電圧が上昇しその先端部分３ａで電界放射が飽和しても、他の部分３ｂ…から電界放射が行われる結果、印加電圧の上昇に伴い電界放射が増大していき、電界放射が飽和しにくい炭素膜となっている。

そのため、鋭利な先端を備えた炭素膜構造体により電界放射させる電子放出源として、電界放射電流の調整範囲が極めて広いため、各種のデバイス、装置等への応用範囲が大きく拡充させることができるものとなる。

特に、カーボンナノチューブと同等程度に直径に対する高さの比率であるアスペクト比をもっているにもかかわらず、壁状炭素膜７により先端がゆらぎにくく、基板上に機械的に支持して高い安定性があり、基板との電気的コンタクトを確保することができ、カーボンナノチューブとは異なって密集が制約され電界集中が起きやすく電子放出特性に優れた炭素膜構造である。

図７および図８を参照して炭素膜の成膜方法を説明する。図７はその成膜に用いる成膜装置の概略構成を示す図、図８は成膜操作に用いるチャンバ内圧と電流とを示す図である。

石英製のチャンバ１４の内部に一対の平行平板電極１６，１８を対向配置する。チャンバ１４はガス導入口管２０とガス排気口２２とを備える。直流電源２４の負極側を上側平行平板電極１８に接続し、直流電源２４の正極側を接地する。

下側平行平板電極１６を接地する。チャンバ１４に導入するガスは水素とメタンとの混合ガスである。下側平行平板電極１６上には基板４を搭載する。

まず、チャンバ１４内にガス導入口２０から水素ガスを導入しその内圧を３０ｔｏｒｒ程度に徐々に減圧し、チャンバ１４内圧力を３０ｔｏｒｒにする。チャンバ１４内圧が３０ｔｏｒｒになると、その圧力を５ないし２５分程度維持する。

この場合、直流電源２４の印加により、プラズマ２３を発生させ、電流を２．５Ａ程度にまで徐々に増加させ、チャンバ１４内圧が３０ｔｏｒｒになるときには電流を２．５Ａに維持する。こうして基板４上の酸化物を除去する。

次いで、チャンバ１４内にガス導入口２０から水素ガスとメタンガスとの混合ガスを導入しチャンバ１４内圧を７５ｔｏｒｒ程度にまで徐々に増大し、チャンバ１４内圧が７５ｔｏｒｒになると、この内圧を２時間程度維持する。

なお、圧力としてはこれに限定されず、１０ないし１００ｔｏｒｒでも実施することができる。このとき、同時に直流電源２４により電流を２．５Ａから６Ａ程度にまで徐々に増加させ、６Ａに到達すると、その電流を２時間維持する。

なお、メタンガスに代えて他の炭素を含むガス、例えば、アセチレン、エチレン、プロパン、プロピレン等のガス、あるいは一酸化炭素、二酸化炭素、エタノールやアセトンの有機溶剤の蒸気を用いることができる。

その結果、基板４上に発生するプラズマ２３により、基板４の温度が９００℃ないし１１５０℃程度となって、メタンガスが分解され、基板４表面に図１、図２示す炭素膜が成膜される。

以上の成膜装置に代えて、図９に示す成膜装置でも同様に実施することができる。図９に示す成膜装置は、導電性または絶縁性の円筒形のチャンバ１４を備え、このチャンバ１４にガス導入口２０とガス排出口２２とを設ける。チャンバ１４の内部には筒状の基板であるコイル２６を配設する。

このコイル２６内部のほぼ中心軸に沿って導電性のワイヤ２８を配置する。コイル２６は一方向にストレートに延び、その内部空間に円筒状にプラズマ３０が発生する。ワイヤ２８はこの内部空間に細長に延びている。コイル２６の内周面とワイヤ２８の外周面とはその延設方向にほぼ均等に距離を隔てて対向している。コイル２６の一端側を直流電源２４の負極側に接続する。ワイヤ２８を直流電源２４の正極側に接続する。

以上の成膜装置においても、上記と同様にチャンバ１４内圧と電流とを図８に示す操作に従って制御する。この制御によりワイヤ２８表面に図３に示す炭素膜を成膜することができる。

図１０ないし図１６のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を参照して上記成膜装置により基板上に成膜した炭素膜を説明する。

図１０は、陽極と陰極との間の印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１０００の電子顕微鏡写真である。図１１は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×４３００の電子顕微鏡写真である。図１２は印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１０００の電子顕微鏡写真である。図１３、図１４は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１００００の電子顕微鏡写真である。図１５は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１００００の電子顕微鏡写真である。図１６は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１５０００の電子顕微鏡写真である。

図１０は実施の形態の炭素膜を横方向（側面方向）から撮影した写真である。この写真にはカーボンナノウォールからなる多数の網目状炭素膜５と、この網目状炭素膜５で囲まれた領域内の多数の針状炭素膜３とが成膜されている状態が示されている。

図１１は図１０を拡大して示す写真である。この写真には網目状炭素膜５に囲まれた領域内に先端が電子放出点となる針状炭素膜３が網目状炭素膜５の高さよりも高く成膜され、この針状炭素膜３にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように壁状炭素膜７が成膜されている状態が示されている。

図１２は炭素膜を平面方向から撮影した写真である。この写真には基板上に曲線状に繋がる網目状炭素膜５が成膜され、この網目状炭素膜５に囲まれた針状炭素膜３が成膜されている状態が示されている。

図１３は図１２をさらに１０倍拡大して示す写真である。

図１４は、炭素膜を斜め方向から撮影した写真である。この写真には網目状炭素膜５に囲まれた領域内に針状炭素膜３が網目状炭素膜５の高さよりも高く成膜され、この針状炭素膜３にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように壁状炭素膜７が成膜されている状態が示されている。

図１５は、炭素膜をほぼ真上方向から撮影した写真である。この写真には網目状炭素膜５に囲まれた領域内に針状炭素膜３が網目状炭素膜５の高さよりも高く成膜され、この針状炭素膜３にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように壁状炭素膜７が成膜されている状態が示されている。

図１６は、炭素膜をほぼ真上方向から撮影した写真である。この写真には網目状炭素膜５に囲まれた領域内に針状炭素膜３が網目状炭素膜５の高さよりも高く成膜され、この針状炭素膜３にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように壁状炭素膜７が成膜されている状態が示されている。

図１０ないし図１６のいずれのＳＥＭ写真に示す炭素膜においても、針状炭素膜は、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備えている。

図１７は、図１０ないし図１６のＳＥＭ写真に示す炭素膜による電界放射特性を示す図である。図１７の横軸は印加電圧、縦軸は電流である。

実線（１）は実施の形態の炭素膜による電界放射特性を示す。

破線（２）はカーボンナノウォールによる電界放射特性を示す。

図１７で明らかであるように、実施の形態の炭素膜による電界放射特性は、カーボンナノウォールのそれよりも優れている。

すなわち、破線（２）で示すカーボンナノチューブ１では、印加電圧ＶがＶ₀を超えると、それ以上は、その先端部分１ａからの電界放射が飽和し、電界放射電流ＩがＩ₀以上には増大しにくくなる。

実線（１）で示す実施の形態の針状炭素膜３では、印加電圧ＶがＶ₀を超えても、電界放射電流Ｉがカーボンナノチューブのように電流Ｉ₀で飽和せず、それ以上に増大することができる。

図１８は、実施の形態の炭素膜をパイプ状の電界放射型の照明ランプに適用した例を示す。図１８において、パイプ状の管体３２は、ガラス好ましくはソーダライムガラスからなり内部が真空状態とされている。管体３２は、直管形状ではなく、Ｕ字管形状でもよい。

管体３２の内面には、蛍光体付き陽極３４が形成されている。蛍光体付き陽極３４は、電子線励起により白色に発光する蛍光体粉末から構成された層状の蛍光膜３４ａと、導電性に優れた金属好ましくはアルミニウムを蒸着して構成された層状の陽極膜３４ｂとから構成されている。

管体３２内にはその中央を長手方向にワイヤ状陰極３６が配置されている。ワイヤ状陰極３６は、蛍光体付き陽極３４と上記長手方向で対向している。

ワイヤ状陰極３６は、導電性のワイヤ３６ａとその表面に成膜された炭素膜３６ｂとから構成されている。このワイヤ３６ａの材料は特には限定されないが、例えば、グラファイト、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、等がある。この炭素膜３６ｂは、図１ないし図１７で説明した炭素膜により形成されている。

図１９（ａ）（ｂ）は、実施の形態の炭素膜をフラットパネル状の電界放射型の照明ランプに適用した例を示す。図１９（ａ）は正面から見た断面図、図１９（ｂ）は図１９（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

これらの図において、この電界放射型の照明ランプは、内部が真空とされたフラットパネル３８，４０と、一方のフラットパネル３８の内面に設けられた蛍光体付き陽極３４と、他方のフラットパネル４０上に間隔を隔てて配置された複数のワイヤ状陰極３６とを備える。

ワイヤ状陰極３６は、図１８の照明ランプと同様に、導電性ワイヤ３６ａと、その導電性ワイヤ３６ａの表面に形成された炭素膜３６ｂとを含み、この炭素膜３６ｂは、図１ないし図１７で説明した炭素膜により形成されている。

以上の構成を備えた照明ランプに対して蛍光体付き陽極３４とワイヤ状陰極３６との間に直流電圧を印加したところ、高輝度で発光する結果が得られた。

この試験の結果は、実施の形態の照明ランプをバックライトに用いた場合、低消費電力で高輝度で大型液晶テレビ等の液晶表示パネルをバック側から照明するバックライトとして非常に適したものとなることを示す。

本発明は、上述の実施の形態に限定されず、種々な変形が考えられる。

図１（ａ）は本発明の原理説明に用いるカーボンナノチューブ、図１（ｂ）は印加電圧に対する電界放射電流の特性を示す図である。 図２（ａ）は本発明の原理説明に用いる針状炭素膜、図２（ｂ）は印加電圧に対する電界放射電流の特性を示す図、図２（ｃ）は実施の形態の針状炭素膜の先端部分を示す図である。 図３は実施の形態に係る炭素膜の応用を示す図である。 図４は図３の炭素膜の斜視図である。 図５は図３の炭素膜を模式的に示す図である。 図６は図３の炭素膜の針状の膜に対する電界集中を示す図である。 図７は図３の炭素膜の成膜に用いる成膜装置の概略構成図である。 図８は図３の炭素膜の成膜操作を示す図である。 図９は他の成膜装置の概略構成図である。 図１０は、陽極と陰極との間の印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１０００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１１は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×４３００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１２は印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１０００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１３は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１００００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１４は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１００００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１５は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１００００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１６は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１５０００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１７は実施の形態の炭素膜を用いた電子放出源の電界放射特性を示す図である。 図１８は実施の形態の炭素膜を用いた電子放出源が組み込まれている電界放射型の照明ランプの概略構成図である。 図１９は実施の形態の炭素膜を用いた電子放出源が組み込まれている電界放射型の照明ランプの概略構成図であって、図１９（ａ）は正面から見た断面図、図１９（ｂ）は図１９（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

符号の説明

３ 針状炭素膜
４ 基板
５ 網目状炭素膜
７ 壁状炭素膜

Claims (9)

1. 細長い針状に成膜されている炭素膜において、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備える、ことを特徴とする炭素膜。
2. 外周面が円錐面に擬似した形状であってその頂点の中心角θ（度）が０＜θ＜２０である、ことを特徴とする請求項１に記載の炭素膜。
3. 細長い針状に成膜されている針状炭素膜と、針状炭素膜の膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状に広がる形態をなして成膜されている壁状炭素膜とを備え、針状炭素膜は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備える、ことを特徴とする炭素膜。
4. 基板上に成膜された網目状炭素膜と、この網目状炭素膜に囲まれた１つまたは複数の針状炭素膜とを備え、針状炭素膜は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備える、ことを特徴とする炭素膜。
5. 上記針状炭素膜には、その膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状炭素膜が成膜されている、ことを特徴とする請求項４に記載の炭素膜。
6. 上記壁状炭素膜は、概ね裾広がりの形状をなしている、請求項３または５に記載の炭素膜。
7. 導電性ワイヤの表面に炭素膜が成膜されている電子放出源において、上記炭素膜が、請求項１ないし６のいずれかに記載の炭素膜であることを特徴とする電子放出源。
8. 内部が真空とされてパイプ状に延びる管体と、上記管体の内面に設けられた蛍光体付き陽極と、上記管体内をワイヤ状に延びて蛍光体付き陽極と対向配置されたワイヤ状陰極とを備えた電界放射型照明ランプにおいて、上記ワイヤ状陰極が、導電性ワイヤと、その導電性ワイヤの表面に形成された炭素膜とを含み、この炭素膜が、請求項１ないし６のいずれかに記載の炭素膜により形成している、電界放射型照明ランプ。
9. 内部が真空とされたフラットパネルと、上記フラットパネルの一方のパネル内面に設けられた蛍光体付き陽極と、上記フラットパネル内に間隔を隔てて配置された複数のワイヤ状陰極とを備えた電界放射型照明ランプにおいて、上記ワイヤ状陰極が、導電性ワイヤと、その導電性ワイヤの表面に形成された炭素膜とを含み、この炭素膜が、請求項１ないし６のいずれかに記載の炭素膜により形成している電界放射型照明ランプ。